基于DPSIR模型的市域土地空间配置优化——以天津市为例

常 青，何欢乐，季宏伟

（1.中国农业大学观赏园艺与园林系，北京 100193；2.中国土地勘测规划院，北京 100035）

中国已进入快速城市化阶段［1］，各类开发建设不断挤占耕地等生态用地，对城市地域生态安全及土地持续利用造成巨大压力。为实现人地系统协调运行，中国已先后开展了有关土地资源安全保障与调控的一系列研究课题，土地资源优化配置研究是其中热点之一［2］。目前国内外土地资源优化配置研究主要包括数量结构优化和空间布局优化两个方面［2-4］，传统研究多注重土地利用现状数量和质量的结构分析，着力于建立模型优化宏观的土地利用结构［4-7］，而对土地利用空间格局优化研究相对薄弱［4，8］，忽视了土地空间配置的可视化研究［9-10］。由于影响土地利用的因素众多，土地空间配置优化研究中适宜性评价指标的选择、权重的设置以及采用不同的评价模型，都会影响评价结果与优化方案，但目前多数研究往往基于专家经验选择指标、设定权重［4，11-14］，使得优化方案在很大程度上受到专家理论水平和对当地熟悉程度的影响；加之缺乏定量化的评定标准，很难对这些优化方案的优劣进行评判和取舍［12，15］。因此，如何科学地制定城市土地利用空间布局优化方案，并通过量化指标进行方案遴选，是目前土地利用空间配置优化研究需要突破的瓶颈。

DPSIR模型旨在分析环境变化的驱动力、压力、状态、影响以及人类对其的响应过程，为揭示环境与人类活动的因果关系提供了有效框架，在资源及其可持续利用研究中已被广泛应用［16-18］。本研究试图借助DPSIR模型，整合土地适宜性、生态敏感性与景观健康评价方法，提出适合市域土地空间配置优化的综合定量研究方法，并以天津市为例进行实证分析。

1 城市土地空间配置优化的DPSIR概念框架

图1 城市土地空间配置研究的DPSIR模型Fig.1 DPSIR Model of research on municipal land spatial allocation

DPSIR模型是由欧洲环境署（EEA）在PSR和DSR概念框架基础上提出的［19］。城市土地利用涉及社会经济发展、耕地保护、生态资源可持续利用等多个因素，是一个极为复杂的问题。DPSIR模型有助于研究者理顺城市土地利用中各种因子的逻辑关系，为定量化研究市域土地空间优化配置提供了概念框架（图1）。其中，驱动力模块用于分析城市社会经济发展背景，揭示对土地利用空间配置具重要影响的因素，如人口、经济发展条件及重大发展战略等。压力模块用于研究城市主要用地需求与矛盾冲突、城市环境污染及生态需求特征，确定城市土地利用空间配置中的关键问题及其代表性指标，为后续土地利用适宜状态评价提供基本准则与分析数据。状态评价基于土地利用方式中农用、建设和生态功能主导性的考虑［9］，本研究主要通过土地适宜性和生态敏感性评价方法［20］、利用互斥矩阵方法［21］划分不同的城市土地空间配置方案。景观生态学研究为评价规划方案的结果提供了定量化工具［22］，特别是景观健康评价结果可作为城市功能分区和规划的基础［23］，本研究通过城市景观健康综合指数度量城市土地利用的健康状态，以此进行不同土地空间配置方案的潜在生态环境影响评价。基于上述定量评价结果，比较不同方案的优劣，选择对城市景观健康影响最小的土地空间配置方案，并制定相应的功能分区管制策略。

2 天津市土地空间配置优化研究

2.1 研究区概况

天津地处华北平原东北部、海河流域下游、环渤海中心地带，陆地面积11917.3km2，海岸线长约153km，湿地资源丰富，素有“九河下梢”、“河海要冲”之称。全市地势北高南低，平原居多，山区面积仅为4％；天津市现辖15个区/县，2007年末，天津市国内生产总值已达5018亿元，常住人口1115万人，按常住人口计算，人均生产总值达到45829元。

2.2 城市土地利用驱动因素分析

2006年天津滨海新区开发开放已纳入国家总体发展战略。根据2000—2007年主要社会经济指标发展趋势分析，2006年，天津市国内生产总值、固定资产投资和人口三项指标增长速度明显加快，是社会经济发展的重要拐点。这说明天津市开发建设已步入新一轮的高速发展阶段，城市土地利用与保护将面临巨大压力。

2.3 城市土地利用压力分析与关键指标提取

快速的城市化过程已引起了天津市土地利用的显著变化。根据1985—2007年天津市土地利用结构和用地格局变化分析（表1），20多年来天津市生态用地处于明显萎缩与破碎化态势，同时伴随着城市建设用地增加、斑块数目下降和平均斑块大小减少。这说明城市建设用地呈连片蔓延发展趋势，生态用地被直接挤压侵占，同时其生态整体性和连通性被强烈分割。另一方面，天津市环境污染问题不容乐观，特别是污水灌溉已对武清、西青等区域大面积土壤造成不同程度的污染，直接威胁到农作物甚至粮食生产安全。

表1 1985—2007年天津市用地结构与格局特征①数据来源于天津市土地利用现状变更调查。Tab.1 Structures and pattern characteristics of land use in Tianjin City from 1985 to 2007

可见，在天津市强劲的社会经济发展推动与生态用地数量下降、功能衰退的影响下，土地资源质与量的双重需求压力巨大，生态用地和建设用地之间矛盾突出，急需合理配置城市建设用地和生态用地。

2.4 城市土地利用适宜状态评价与空间配置方案制定

2.4.1 城市土地保护适宜性评价（Land protection suitability，LPS） 耕地是天津市土地利用的主要方式，湿地、林地等是维续天津市良好生态环境的基础，它们在不同程度上对各类社会经济开发活动具有敏感性。本研究主要通过耕地适宜性和其他用地生态敏感性评价方法识别天津市土地保护适宜性等级。其中，耕地适宜性评价主要根据研究区耕地自然、经济条件及其承受环境污染压力特征及资料可获取性，选取坡度、土壤特征、灌溉条件以及粮食单产为评价因子，采取模糊评价方法［20］进行综合评价，评价结果分为很适宜、适宜、勉强适宜和不适宜4个等级（表2）。其他用地生态敏感性评价，主要以除耕地外的其他用地为评价单元，采用生态因子评分方法［20］确定其生态敏感程度，评价结果分为强敏感、敏感、弱敏感和不敏感4个等级（表3）。最终，在耕地适宜性和其他用地生态敏感性评价结果基础上，依据生态保护潜在价值划分土地生态保护适宜性等级，并通过ArcGIS 9.0空间叠加分析技术确定天津市土地生态保护适宜性空间分布状态（图2）。

2.4.2 城市土地开发潜力评价（Land development suitability，LDS） 天津城市土地开发潜力评价主要基于城市建设成本和发展潜力考虑，选择区位条件、地质条件以及人口密度和地均GDP等因子（表4），采用模糊评价方法［20］进行评价，最终分为高潜力、中潜力、低潜力和不适宜开发4个等级（图3）。

2.4.3 城市土地利用空间配置方案的制定 以城市土地保护适宜性与开发潜力评价结果为基础，对二者不同适宜性等级建立互斥性矩阵分类表，划定综合适宜性图斑，并依据不同适宜性图斑的优先发展顺序，确定3个不同目标下的城市土地空间配置方案（图4—6）。其中，方案1为经济发展优先（Economic development first，EDF），除生态保护价值极高的林地、湿地外，首先考虑满足城市开发建设需求；方案2为生态保护优先（Ecological protection first，EDF），除具高开发建设潜力的用地外，在考虑城市土地的生态保护价值的基础上满足城市开发建设需要；方案3为协调方案（Harmonious development，HD），即对城市经济发展与生态保护进行统筹。

2.5 不同土地利用空间配置的景观健康影响评价

2.5.1 评价指标体系与方法 研究中采用城市景观健康指数定量评价不同土地空间配置方案的潜在生态环境影响。在此评价体系中，包括活力、组织结构和恢复力三个层次，其中活力指土地空间配置方案在社会经济方面的建设效率和保障程度，主要采用适宜建设土地斑块面积比和斑块结合度两项具体指标；组织结构主要指土地类型在景观水平上的功能空间关系，这里选择景观形状指数表示；恢复力是指土地空间配置方案在受到严重干扰和胁迫的作用后恢复到被破坏之前的功能和状态的能力，在城市区域主要体现为生态功能斑块生态功能的发挥程度，这里选择适宜生态保护土地的斑块结合度和最大斑块指数表示。通过对上述指标进行加权运算，获得不同土地空间配置方案的景观健康综合指数LHI。计算公式如下：

表2 耕地适宜性评价因素及指标Tab.2 Factors and indices of farm land suitability assessment

表3 其他用地生态敏感性评价因素及指标Tab.3 Factors and indices of eco-sensitivity assessment on other types of land use

表4 土地开发潜力评价因素及指标Tab.4 Factors and indices of land development potential assessment

2.5.2 不同方案下城市景观健康状况比较 根据不同方案的城市景观健康综合评价（表5），对于景观组织结构而言，方案1景观形状指数最低，说明在方案1下城市土地利用类型间相互联系最小，最不利于城市生态用地功能、效益向城镇用地的渗透。对于景观活力而言，方案2建设用地斑块面积比重和斑块结合度最小，说明在方案2下城市建设保障度和和建设效率最低，城市社会经济建设的成本会明显增加。对于景观恢复力而言，方案3生态保护用地斑块结合度和最大斑块指数最大，说明方案3下城市土地空间配置更利于其生态功能的发挥。综合评价不同土地空间配置方案的景观健康指数，以方案3最高，方案2次之，而方案1最低，这说明若按照方案3进行城市土地开发建设，对城市未来景观健康的影响最小。

表5 天津市土地空间配置方案的景观健康评价Tab.5 Landscape healthy assessment on land spatial allocation scheme in Tianjin City

2.6 城市土地空间配置方案的选择与优化策略

2.6.1 城市土地空间配置方案的选择 根据Forman“集中与分散结合”的景观生态规划模式，优质的生态组分、合理的空间格局以及“最大化”生态功能是景观生态规划的基本原则［24］。从不同土地空间配置方案的景观健康评价可知，协调发展方案虽然在景观活力和组织结构方面稍劣于经济发展优先方案和生态保护优先方案，但此方案的生态用地斑块具有最大的斑块指数和结合度，生态功能发挥程度与景观恢复力极高，同时对未来城市景观健康状况的影响最小，因此协调发展方案可作为天津市域土地空间配置的首选方案，是未来城市土地利用功能分区的依据。

2.6.2 城市土地空间配置优化方案与策略 依据协调发展方案，结合土地利用现状，进一步划定天津市土地利用功能分区（图7）：（1）生态保护区面积3176.40km2，占市域的26.65％，包括林地区、湿地保护区和基本农田保护区三个土地功能分区。此区严禁任何形式的开发建设活动，可用于科学研究等。（2）生态恢复区面积3690.14km2，占市域的30.97％，包括生态保护区周边的环境敏感区与中度宜耕的一般农田区。此区允许进行旅游开发等低强度的设施建设，主要作为城市生态恢复区域，依据现状条件进行植被恢复与重建。前两区面积比合计57.62％，二者空间边界可参考作为天津城市发展的生态控制底线。（3）控制建设区面积3082.35km2，占市域的25.86％，包括城市已建成区周边的一般农田区和植被条件较好的产业建设区，此区原则上近期（2020年前）不进行大规模开发建设，远期可作为城市发展备用地；为保留良好的生态基础，若在此区开展建设活动需进行严格的可行性论证和生态环境影响评价，要控制建设规模与性质。（4）优先建设和优化建设区面积分别为1720.64km2和247.79km2，各占市域面积的14.44％和2.08％，此区包括生态基础较差且开发建设潜力好的城镇建设区和产业建设区，主要位于中心城区、近郊四区和滨海新区，可根据需要安排重大建设项目，尽量减少对现有生态系统的损害，同时加强城市绿地建设，改善城市生态环境。

3 结论与讨论

本研究以天津市为例，探讨了基于DPSIR模型的市域土地空间配置优化研究框架与定量分析方法。通过天津城市土地利用与社会经济发展驱动机制分析、土地综合适宜性和城市景观健康评价，发现在经济发展优先、生态保护优先和协调发展方案中，按照协调发展方案进行土地利用布局，对未来景观健康影响最小，因此建议协调发展方案作为土地利用空间配置优化的首选方案，并据此划分天津市域土地利用功能分区。

目前适宜性评价及分区是土地空间配置优化的基础和有效手段，其评价指标、权重选择与分区方法是亟需加强和深入的内容［9，14］。依据天津市案例分析可知，基于驱动力、压力和状态的分析方法，有助于研究者针对不同城市的土地利用特点选择适宜性评价内容与指标，为合理构建评价体系提供了有效途径；基于景观健康的影响评价与响应分析方法，可在一定程度上量化土地空间配置方案的潜在生态影响，减少土地空间配置优化方案选择中的人为主观因素，为进一步划定土地功能分区和制定分区管制原则提供科学依据。今后，如何进一步完善城市景观健康评价指标体系，更加全面、客观地反映土地空间配置对城市生态质量的影响，将是应用市域土地空间配置DPSIR优化模型时需要探索和思考的问题。

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